先进结构陶瓷复习

1、 传统陶瓷与先进陶瓷如何划分？它们的开展过程有何特点？答：先进陶瓷与传统陶瓷的区别，可以从以下几方面来说明。①原料：传统陶瓷以天然的粘土为主要原料，而先进陶瓷原料是人工提纯、人工化合成的高纯度物质。粒度：传统陶瓷的粉粒大小在0.1毫米以上，而先进的粉粒大小在0.01以下，有的到达纳米级别。制作工艺：先进陶瓷的成型方法也很多，有模压成型、等静压成型、注射成型、热压铸、流涎成型等，在烧结方面，温度要求更高，条件要求更严，方法也很多，有热压烧结、热等反响烧结、真空烧结、微波烧结、等离子烧结、自蔓燃烧结等，突破了传统陶瓷以炉窑为主要生产的烧结方式。加工：传统陶瓷一般不需要二次加工，先进陶瓷烧结成型后，能够进展切割、打孔、磨削、抛光等精细加工。〔5、6点为资料中追加〕性能应用：先进陶瓷具有不同的特殊性质和功能，如高强度、高硬度、耐腐蚀、导电、绝缘以及在磁、电、光、声、生物工程各方面具有的特殊功能，从而使其在高温、机械、电子、计算机、宇航、医学工程等各方面得到广泛的应用。显微构造：普通陶瓷主要由莫来石以及SiO2为主，而先进陶瓷那么以单一才目构成。2、 与金属比，陶瓷的构造和性能特点？为什么陶瓷一般具有高强度和高硬度？答：①构造：金属内部原子间结合的化学键为金属件，陶瓷材料的原子间结合力主要为离子键、共价键或离子-共价混合键；陶瓷材料显微构造的不均匀性和复杂性〔书P1-2〕性能：优点：高熔点、高强度、耐磨损、耐腐蚀；缺点：脆性大、难加工、可靠性与重现性差〔书P2〕原因：上述陶瓷内部的几种结合键具有很高的方向性，结合力较强，破坏化学键所需能量较大，故硬度与硬度都较高，同时陶瓷材料化学键决定了其在室温下几乎不能产生滑移或位错运动，因此很难产生塑性变型，室温下只有一个较高的断裂强度。3、 如何评价陶瓷材料的力学性能？如何提高材料力学性能？答：强度方面从抗拉、抗压、抗弯以及抗热冲击性能评价；韧性方面通过单刃开口梁法或压痕法测量评价，硬度那么主要通过维氏硬度和洛氏硬度进展评价；通过颗粒弥散、纤维及晶须强化增韧来改善陶瓷的力学性能〔求补充〕4、 影响陶瓷抗热震性的因素主要有哪些？答：影响因素主要有热应力、导热系数、热膨胀系数、弹性模量、断裂能、强度和韧性等；①导热系数高，材料各局部温差较小，抗热震性较好；②热膨胀系数较小，材料内部热应力较小，抗热震性较好；③弹性模量较小，在热冲击中可以通过变形来局部抵消热应力，从而提高抗热震性；④强度大，韧性强都能使材料抗热应力而不至于破坏，改善热震性。〔答案为材料物理性能书P133〕5、目前先进陶瓷的开展趋势和研究热点有哪些?答：课本P1:①组成复合化；②构造纳米化；③构造可设计〔功能化〕PPT: ①构造微细化、纳米化；②构造一功能一体化；③组成可设计、复合化；制备低本钱化；⑤性能挖掘潜力大，发现新材料几率高6、 比较注浆成型、热压铸成型、胶态凝固成型和流延成型技术的异同。答：①注浆成型：分散介质是水、模具材料为石膏；对浆料的要求为流动性好、稳定性好、触变小、渗透性好、脱模性良好、尽量不含气泡，同时在保证流动性的情况下，含水量尽可能小；热压铸成型：分散介质是石蜡、模具材料为钢；这种方法生产的产品尺寸准确、光洁度高、构造致密胶态凝固成型：模具为有机、无机混合；成品有一下特点①适用于各种陶瓷粉体，成形各种复杂形状和尺寸的陶瓷零件；②成形坯体组份均匀，密度均匀，缺陷少；③料的凝固定型时间可通过调节聚合温度和催化剂的参加量来控制;④该工艺对模具无特殊要求，可以是金属、玻璃或塑料；⑤成形坯体具有较高的强度；⑥这是一种净尺寸成形技术，在枯燥和烧结过程中收缩均匀，变形极小，烧结体可保持成形时的形状和尺寸比例。流延成型：陶瓷粉、塑料膜混合〔由粘结剂、塑化剂和溶剂组成〕。粉料要求细、粒形圆润，这样才能得到良好流动性的料浆。流延成形设备简单，工艺稳定，可连续操作，便于自动化，生产效率高。但粘结剂含量高，因而收缩率大，可达20-21%；7、 如何提高陶瓷材料的烧结密度？答：①烧结助剂：添加适量烧结助剂，可以引入的添加剂使晶格空位增加，易于扩散，烧结速度加快，降低烧结温度，还可以使液才目在较低的温度下生成，出现液相后晶体能做粘性流动，因而促进了烧结致密化。细化颗粒：粉末颗粒的微细化，使得成型后的坯体所含气孔率降低，还可以加速粉料在烧结过程中的推动力，降低烧结温度和缩短烧结时间，提高陶瓷材料的烧结密度。改变烧结方式：可以使用热压烧结、微波加热烧结和微波等离子体烧结等烧结方式来提高材料的烧结密度。8、 纳米陶瓷粉体的制备方法有哪些？答：①物理方法：机械粉碎法、蒸发一冷凝〔PVD〕法化学方法：沉淀法、溶胶一凝胶法、水热法、热分解法、溶剂蒸发法、高温自蔓燃法、化学气相沉积法9、 比较透明氧化铝陶瓷与石英玻璃和水晶的异同？答：①从表观上观察，三者均为透明物质；从化学组成上分析，透明氧化铝陶瓷主要为氧化铝化合物，而石英玻璃和水晶的主要成分那么是二氧化硅；从结晶形态上看，透明氧化铝陶瓷是多晶体，石英玻璃是非晶体，而水晶是单晶体从适应温度上看，透明氧化铝陶瓷能适应1600〜1700°C,石英玻璃能适应1200〜1300°C,水晶能适应1400C左右的温度。除了适应温度不同外，其三者在力学性能和电学性能等方面也不一样。〔此点为上课笔记，适应温度不太肯定〕10、 相变增韧的机理是什么？答：概念：利用多晶多相陶瓷中某些相成分在不同温度的相变，从而增韧的效果，统称为相变增韧。机理：以ZrO2为例子，当局部稳定ZrO2陶瓷烧结致密后，四方相ZrO2颗粒弥散分布于其他陶瓷基体中，〔包括ZrO2本身〕，冷却时，亚稳四方相颗粒收到基体的抑制而处于压应力状态，这时基体沿颗粒连线方向也处于压应力状态。材料在外力作用下所产生的裂纹尖端附近由于应力集中作用，存在X应力场，从而减轻了对四方相颗粒的束缚，在应力诱发下会发生向单斜相的转变并发生体积膨胀，相变和体积膨胀的过程除了消耗能量外，还将在主裂纹作用区产生压应力，二者均阻止裂纹的扩展，只有增加外力做功才能使裂纹继续扩展，于是材料的强度和断裂韧性大幅度提高。11、 如何提高陶瓷材料的强度和韧性？答：在晶体构造既定的情况下，控制强度的主要因素有三个：弹性模量8、断裂功〔断裂表面能〕和裂纹尺寸。提高晶体的完整性晶粒越细、密度越高、构造越均匀、成分越纯，其含有的缺陷就越少，其强度与韧性也越好。强化方式有①复合强化〔通过成分复合、产生协同增韧补强效应〕；②热韧化〔通过一定加热、冷却制度在外表人为地引入剩余压应力，淬冷不仅在外表造成压应力，而且还可使晶粒细化。利用外表层与内部的热膨胀系数不同,也可以到达预加应力的效果。〕；③外表强化〔通过化学或机械抛光技术，以及外表氧化技术等可消除陶瓷材料的外表缺陷或使尖端钝化，到达增强增韧的目的〕；④相变增韧〔利用多晶多相陶瓷中某些相成分在不同温度的相变，从而增韧的效果〕；⑤弥散强化〔在陶瓷基体中引入高度分散的第二相粒子来到达增强增韧的目的〕；⑥纤维强化〔将高强度的纤维或晶须加到陶瓷基体中，使其均匀分布有机结合，可使其强韧性提高纤维的强度高，在工作时可承担大局部负荷，减轻了基体的负担。纤维和基体结合，在结合面上具有一定的结合强度。即使陶瓷基体出现细微裂纹，纤维仍能将其紧紧拉住，防止裂纹进一步扩展。〕；12、 什么是微晶玻璃，它与玻璃和陶瓷在构造和性能上有何异同？答：概念：微晶玻璃也称为玻璃陶瓷，是通过参加晶核剂等方法，经过热处理过程在玻璃中形成晶核，再使晶核长大而形成的玻璃与晶体共存的均匀多晶材料。微晶玻璃它具有玻璃和陶瓷的双重特性，普通玻璃内部的原子排列是没有规那么的，这也是玻璃易碎的原因之一。而微晶玻璃象陶瓷一样，由晶体组成，也就是说，它的原子排列是有规律的。所以，微晶玻璃比陶瓷的亮度高，比玻璃韧性强。构造上：①微晶体由玻璃相与结晶相组成。两者的分布状况随其比例而变化。玻璃是一种无规那么构造的非晶态固体〔从微观上看，玻璃也是一种液体〕，其分子不像晶体那样在空间具有长程有序的排列，而近似于液体那样具有短程有序。玻璃像固体一样保持特定的外形，不像液体那样随重力作用而流动。陶瓷材料是由晶粒和晶间相组成的烧结体，其含有少局部的玻璃相和气孔相，大局部为晶相的多晶材料。性能上：①微晶玻璃一一机械强度高，绝缘性能优良，介电损耗少，介电常数稳定，热膨胀系数可在很大范围调节，耐化学腐蚀，耐磨，热稳定性好，使用温度高。玻璃——机械性能差，强度低，常温为绝缘体，熔融状态下可以导电，熔点低，膨胀系数小，抗热震性差，透光性能好，化学稳定性较高。陶瓷——耐热、耐磨、耐腐蚀、绝缘、抗蠕变性能好，硬度高，弹性模量高，塑性韧性差，强度可靠性差。13、 微晶玻璃的制备技术主要有哪些？各有何特点？熔融法：熔融法的最大特点是可采用技术成熟的玻璃成形工艺方法，如压延、压制、吹制、拉制、浇注等，便于机械化生产。与通常的陶瓷成形工艺如挤压、旋压和注浆相比，其成形速度快，适合自动化操作和制备形状复杂、尺寸准确的制品。由玻璃坯体制备的微晶玻璃在尺寸上变化不大，组成均匀，不存在气孔等陶瓷中常见的缺陷，因而微晶玻璃不仅性能优良且具有比陶瓷更高的可靠性烧结法：将熔制玻璃粒料与晶化分成二次完成，故又称为二次烧结法。烧结法还有一个显著的特点，即水淬后的玻璃颗粒细小，外表积增加，比熔融法制得的原始玻璃更易于晶化，因而有时可以少加甚至不加晶核剂。烧结法解决了传统熔融法工艺中存在的熔融和成形不可分、高温成形难以生产形状复杂的制品以及必须参加晶核剂才能核化和晶化等问题。它可以采用陶瓷传统的低温成形方法从而制备出形状复杂的制品。但才目对于熔融法而言，该、工艺方法的致命缺点是存在气孔，导致生产中出现大量不合格产品，但适合制造多孔的微晶玻璃。溶胶一凝胶法：其制备温度比传统方法低很多，可防止某些组分挥发并减少污染；可获得均质的高纯材料；可扩展组成范围，制备传统方法无法制备的材料，如不能形成根底玻璃的系统和具有高液相组成系统的微晶玻璃；用溶胶-凝胶法制备的微晶玻璃主要为具有高温、高强、高韧性以及其它特殊性能的高新技术材料。14、 碳化物陶瓷主要有哪些〔列出常用的4种)？它们共同特点是什么？答：主要有碳化硅〔SiC〕、碳化硼〔B4C〕、碳化钛〔TiC〕、碳化钒〔WC〕具有熔点高，许多碳化物的熔点都在30000C以上，例如碳化钛的熔点为34600C具有较高的硬度，例如碳化硼是仅次于金刚石和立方氮化硼的最硬材料，但碳化物的脆性一般较大。具有良好的导电性和导热性以及化学稳定性，几乎大多数碳化物陶瓷在常温下不与酸反响。15、 碳化硅的合成方法有哪些？各有何特点？化合法：将单质Si和C在碳管电炉中直接化合而成，其反响式如下：Si+C===p-SiC碳热复原法：这种方法是由氧化硅和碳反响生成碳化物，反响式如下：SiO2+C===SiO(g)+CO(g)，SiO继续被碳复原：SiO+2C===SiC+CO(g)目前为止碳热复原法所需的温度较高，该法生产的颗粒较小，可提高产物纯度和电导率的新型制备方法气相沉积法：气相沉积法可以分为化学气相沉积法〔CVD〕和物理气相沉积法〔PVD〕，PVD主要利用了蒸发-冷凝机理，而CVD法那么是利用硅的卤化物〔SiX〕和碳氢化物〔Hm〕及氢气在发生分解的同时，才目互反响生成SiC。这些方法可以制备高纯度的SiC粉末，也可以得到晶须或者薄膜。有机硅前驱体：将有机金属化合物在真空、氢或者惰性气氛中在相对较低的温度下进展热解反响，从而得到相应的制品。自蔓延高温合成法〔SHS法〕：是一种化合反响方法，一般化合法是依靠外部热源来维持反响的进展，而SHS法那么是依靠反响时自身放出的热量维持反响的进展，计算说明SiC的绝对温度为1800oC（放热反响使产物到达的最高温度）溶胶-凝胶法：采用溶胶-凝胶工艺可得到平均晶粒尺寸为10nm的。-SiC纳米粉体。16、 氮化硅的主要晶型有哪些？对氮化硅陶瓷的构造和性能有何影响？答：氮化硅有两种晶型，即针状结晶的a-Si3N4和颗粒状结晶的p-Si3N4.它们均属于六方晶系，都是以［SiN4］四面体共用顶角构成的三维空间网络。Si3N4是以共价键为主的化合物，氮原子与硅原子间的键力很强，因而，Si3N4具有许多优异性能，如耐磨、高硬度、高强度、耐化学腐蚀和很好的高温稳定性具有较高的硬度。a型构造内部的应变较大，故自由能比。型高，即体系的稳定性比较差，当加热至1500°C时，a-Si3N4将转变为§-Si3N4，且这种转变是不可逆的。高对目含量Si3N4粉烧结时可得到细晶、长柱状。-Si3N4晶粒，提高材料的构造稳定性和断裂韧性。17、 氮化硅的烧结方法有哪些？如何获得致密烧结的氮化硅陶瓷？烧结方法有：反响烧结、常压烧结、热压烧结、重烧结、热等静压烧结改变烧结方式，反响烧结制得的氮化硅一般气孔率较高，可采用常压烧结、热压烧结等致密性烧结方式，降低气孔率，进而获得致密性高的烧结体；添加烧结助剂，促进烧结反响的进展；常压烧结时埋粉；在氮气气氛下烧结，抑制氮化硅的热分解；采用均匀、尺寸小的氮化硅粉末，提高烧结驱动力。18、 如何提高氮化铝陶瓷的热导率？清洁晶界，提高AlN粉末的纯度、适量添加烧结助剂，减少杂质目的引入；添加烧结助剂，可降低AlN晶格的氧含量，同时使AlN颗粒间相互接触从而提高热导率，使用适当的复合添加剂也可以提高其热导率；孤立第二相或使第二相处于三角境界处，也可改变添加剂和工艺条件使第二相完全被排除；粗化晶粒，减少晶界；提高其致密性，降低气孔率可提高其热导率；采用一些后处理措施，从而提高热导率，如在复原气氛中可出去AlN中氧和第二相以提高热导率。19、简述氮化硼的构造特点。氮化硼有两种晶型：立方BN和六方BN,在高温高压下六方BN可转变为立方BN。立方BN:其构造与金刚石类似，即碳原子按四面体成键方式互才目连接，组成无限的三维骨架。每个碳原子都以SP3杂化轨道与另外4个碳原子形成共价键，构成正四面体。构造中C-C键很强，所有的价电子都参与了共价键的形成，没有自由电子。所以立方氮化硼的硬度仅次于金刚石，化学惰性比金刚石和硬质合金好。六方氮化硼：其构造与石墨类似，即每个碳原子的周边连结着另外三个碳原子，排列方式呈蜂巢式的多个六边形，每层间有微弱的范德华引力。六方氮化硼是良好的高温润滑材料和高温电绝缘材料。20、 硼化物陶瓷主要有哪些？其构造特点是什么？硼化物陶瓷是一类新型构造陶瓷，常见的有TiB2、ZrB2、HfB2、TaB2和LaB6等，主要是硼和过渡金属形成的二硼化物，多属于六方晶系。硼化物的构造特点：硼的电子构型为2s22p1，主要采用sp2杂化方式与其他原子成键。sp2电子杂化导致平面BX六角形成为BN、BO、HBO以及有关化合物的主构造单元，以33 23 3 3及导致B3三角形成为元素硼、硼烷族及其衍生物的典型五倍对称二十面体中的一局部。21、 简述硼化物陶瓷的主要性能特点。高熔点和难挥发：几乎所有硼化物的熔点都高达2000°C以上，可用于火箭喷嘴、内燃机喷嘴、高温轴承等高温部件。高硬度：二硼化物的硬度比较高，TiB2的维氏硬度到达33.5GPa，比。-SiC的硬度高约30%，ZrB2-B4C复合陶瓷的耐磨耗指数是SiC和Si3N4的2倍左右，也比局部稳定氧化错(PSZ)陶瓷高。高导电性：二硼化物具有很低的电阻率，特别是ZrB2和TiB2与金属铁、铂的电阻率相当，导电机制为电子传导，呈正的电阻温度系数。作为电阻发热体时，温度易于控制，可用作特殊用途的电极材料。高耐腐蚀性：硼化物陶瓷对熔融金属具有良好的耐腐蚀性，与熔融铝、铁、铜、锌几乎不反响。硼化物的这一特性可应用于金属铝、铜、锌、铁的冶炼。在钢铁冶金中，可用它来制作铁水测温热电偶的保护管、喷嘴和吹气管等。在炼铝工业中，炼铝槽的阴极材料采用硼化物陶瓷后，节电可达30%以上。22、 什么是陶瓷基复合材料？它们是如何分类的？陶瓷基复合材料主要指由无机非金属材料作基体材料，通过颗粒弥散、纤维及晶须强化增韧等来改善陶瓷材料的力学性能，特别是脆性的一类复合材料。按符合效果可分为力学型复合材料和功能型复合材料；按材料在复合构造中的作用，可分为基体材料和增强材料。23、 纳米复相陶瓷的构造特点是什么？答：纳米复相陶瓷是将纳米级的颗粒分散到纳米或微米级陶瓷基体中，经成型和烧结制成的。由于纳米颗粒能够抑制基体颗粒的长大，使构造均细化，从而改善材料的力学性能。纳米增强相与基体之间具有非常良好的化学相容性;纳米增强颗粒与基体在热膨胀系数上有差异；纳米复合后基体晶粒很小、材料显微构造呈现均匀化、基体晶界强化。24、 如何获得〔制备〕陶瓷晶须？晶须补强增韧的机理是什么？答：晶须增韧陶瓷基复合材料是以陶瓷为基体，以晶须为增强体，通过复合工艺制备的新型复合材料。制备方法通常有熔融法、气相法、内熔剂法、水压热法、常压酸化法、烧结法、KDV法、助溶剂法、溶体法、水热法、急冷烧结结晶法、缓冷烧结结晶法等作用机理为：裂纹桥接机理：晶须的存在使裂纹尖端尾部存在一晶须一基体界面解离区，在此区域内，晶须把裂纹桥接起来并在裂纹外表产生闭合应力。裂纹偏转机理：晶须会导致裂纹发生弯曲和偏转，从而干扰应力场，导致基体的应力强度降低，起到阻碍裂纹扩展的作用。晶须拔出机理：晶须在外应力作用下沿着它和基体的界面滑出的现象。晶须的拨出增加了裂纹的路径和材料的断裂功。25、 影响纤维补强陶瓷基复合材料性能的主要因素有哪些？纤维尺寸：直径、长度、晶须尺寸纤维的排列方向：排列方向与应力方向平行晶须含量及分布的均匀性：含量的增加，韧性增大，强度降低。均匀性改善，强度提高，韧性值提高不大纤维和基体间的物理相容性：热膨胀性能的匹配纤维与基体间的化学相容性：不发生化学反响，性能不退化界面性质：界面对传递应力、裂纹扩展与能量吸收或分散起重要作用。界面层的性质可以用纤维与基体之间结合力的大小来衡量。只有纤维与基体之间保持适中的结合强度，其中的纤维可承担大局部外加应力，又能在断裂过程中以“拔出功'’的形式消耗能量时，才能获得既补强又增韧的陶瓷基复合材料。26、设计纤维或晶须补强陶瓷基复合材料应遵循的原那么有哪些？尽量使纤维在基体中均匀分散；弹性模量要匹配，纤维的强度和弹性模量应大于基体材料；纤维与基体要有良好的化学相容性，无明显的化学反响或形成固溶体；纤维与基体热膨胀系数要匹配，只有不大时才能使纤维与界面结合力适当，保证载荷转移效应，并保证裂纹尖端应力产生偏转及纤维拔出；适量的纤维体积分数，过低那么力学性能改善不明显，过高那么纤维不易分散，不易致密烧结；纤维直径必须在某个临界直径以下。27、高性能陶瓷涂层具有哪些特点？能将金属材料的强韧性、易加工性、导电、导热性等和陶瓷材料的耐高温、高耐磨、高耐特点有机结合，发挥两类材料的综合优势，同时满足产品对构造性能（强度、韧性等）和环境性能（耐磨、耐蚀、耐高温等）或特种功能（红外辐射、微波吸收、热敏、光敏等）的需要。能够用于制备陶瓷涂层的材料品种多，包括各种氧化物和复合氧化物、碳化物、氮化物、硼化物、硅化物以及金属陶瓷和金属间化合物。制备陶瓷涂层的工艺方法多，且投资小，灵活方便。固相沉积：如热喷涂、高温自蔓延法、电火花外表强化法等气相沉积：如化学气相沉积（CVD）、物理气相沉积（PVD）、真空离子沉积等；液相法：如溶胶法、电化学沉积法、化学自催化沉积法（化学镀）等。/r/